基于高程信息的衛星訪問計算方法

趙汝哲，林 元，彭會湘，員建廈，張萬玉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊050081；2.北京市遙感信息研究所，北京 100192；3.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊050081)

基于高程信息的衛星訪問計算方法

趙汝哲1，林 元2，彭會湘1，員建廈1，張萬玉3

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊050081；2.北京市遙感信息研究所，北京 100192；3.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊050081)

成像衛星任務規劃的基礎是訪問分析，而其核心是計算衛星對目標的訪問信息，即衛星對目標的觀測時間和觀測姿態角度。現有衛星任務管控系統中使用的衛星訪問信息計算方法通常沒有考慮目標高程信息，這使得對高海拔地區目標的觀測姿態角度計算不夠準確。提出一種基于目標高程信息改進的衛星訪問信息計算方法，在構建衛星與目標的空間計算模型時，考慮目標的高程信息，計算得出更為準確的觀測姿態角度，使得按此角度做規劃后的衛星能夠精確地拍攝到目標位置。實驗結果表明，該算法降低了系統誤差，提高了衛星觀測精度。

成像衛星；對地觀測；訪問計算；高程信息

0 引言

目前成像衛星任務規劃系統主要分為3個階段：訪問分析、任務分解和任務規劃[1-2]。其中訪問分析是任務分解和任務規劃的前提，主要是依據衛星運行軌跡和地面上各個目標位置，計算出衛星對所有目標的訪問時間窗口[3-5]，然后針對每一個目標計算出衛星在各個訪問時刻對該目標的觀測姿態角度信息。以此計算結果為依據選擇衛星資源，根據衛星對目標的訪問時間窗口對觀測任務進行分解，然后得到一系列觀測元任務[6-8]。這些元任務都是由某顆衛星在指定時間以指定姿態角度一次性觀測成像完成，是不可分割的原子任務[9-12]。以這些觀測元任務作為任務規劃算法的輸入，可以有效提升求解空間的搜索性能[13-14]，并且可以精確控制衛星對地面目標的觀測成像。因此，訪問分析是衛星任務規劃的基礎[15-17]。

現有衛星任務管控系統采用的訪問信息計算方法通常都沒有考慮目標的高程信息對衛星觀測姿態角度計算的影響[18-21]。以這樣的計算結果做規劃控制衛星成像，對于海平面上高程信息為0的目標觀測沒有影響，對于高程絕對值較小的平原低海拔目標的觀測會有較小偏差，對于高程絕對值比較大的高海拔地區目標或山谷底部目標的觀測會有較大偏差，這就導致某些幅寬較小的衛星在該時刻以指定角度拍攝成像，根本就拍攝不到目標位置。因此，在計算衛星對目標的觀測姿態角度時，要考慮目標高程信息對計算結果的影響。

針對上述問題，本文提出了基于目標高程信息改進的訪問計算方法，設計衛星與目標的空間計算模型時，增加考慮目標高程值因素，最后通過實際衛星觀測地面目標樣例驗證了算法合理性。

1 衛星與目標的空間計算模型

首先構建衛星與目標的空間計算模型，星載傳感器中心光軸初始指向地心，然后衛星按照某個角度姿態機動后，星載傳感器中心光軸即可指向目標位置進行觀測。在此過程中忽略衛星質心與星載傳感器之間的距離。由此可知，計算衛星訪問信息實際上是計算衛星以何種角度進行姿態機動后，傳感器中心光軸就能準確指向目標位置。計算該姿態機動角的流程如圖 1所示。

圖1 衛星訪問姿態機動角計算流程

1.1 目標點地理坐標和高程值到地心空間直角坐標系(地固系)坐標的轉換

如果目標T地理坐標(測地經緯度、高程值)為(lon,lat,h)，那么經過坐標轉換之后，T在地心空間直角坐標系中坐標為：

(1)

1.2 目標點地固系坐標到瞬時真赤道地心系坐標的轉換

將目標T在地固系中的直角坐標近似為準地固系中的直角坐標，此時將準地固系中的直角坐標轉換到瞬時真赤道地心系的公式為：

V1(T)=Rz(-SG(t))V0(T),

(2)

1.3 目標點由瞬時真赤道地心系坐標到瞬時平赤道地心系坐標的轉換

這里需要考慮章動的影響，將目標點由瞬時真赤道地心系轉換到瞬時平赤道地心系坐標之后為：

V2(T)=Rz(Δμ)Ry(-Δθ)Rx(Δε)V1(T)，

(3)

式中，Δμ=Δφcosε為赤經章動；Δθ=Δφsinε為赤緯章動；Δε為交角章動；Δφ為黃經章動。

1.4 目標點瞬時平赤道地心系坐標到歷元平赤道地心系坐標的轉換

目標點經過轉換之后的歷元平赤道地心系(J2000 慣性系)中的坐標為：

V3(T)=Rz(ζA)Ry(-θA)Rz(zA)V2(T)，

(4)

式中，ζA、θA和zA為3 個赤道歲差參數。

1.5 目標點歷元平赤道地心系坐標到地心軌道坐標系坐標的轉換

轉換后的目標點在地心軌道坐標系中的坐標為：

V4(T)=Rz(ω+f)Rx(i)Rz(Ω)V3(T)，

(5)

式中，Ω為歷元時刻t對應的衛星升交點赤經；i為歷元時刻t對應的衛星軌道傾角；ω為歷元時刻t對應的衛星近地點幅角；f為歷元時刻t對應的衛星真近點角。

1.6 目標點地心軌道坐標系坐標到衛星軌道坐標系坐標的轉換

目標點坐標由地心軌道坐標系經坐標系旋轉，然后再沿Z軸平移轉換到衛星軌道坐標系后為：

(6)

式中，RES為歷元時刻t對應的衛星質心到地心的距離。

1.7 衛星訪問姿態角度計算

經過上述幾步坐標轉換，可以計算出任意時刻t某個地面目標T在衛星軌道坐標系下的空間坐標，即把目標坐標與衛星坐標統一到同一坐標系中。在衛星本體坐標系中，衛星相機光軸指向衛星本體坐標系Z軸，在衛星沒有進行姿態機動時，衛星本體坐標系與衛星軌道坐標系重合，坐標系Z軸都指向地心。因此，衛星要想準確觀測該目標，就需要把相機光軸通過姿態機動后指向目標T，衛星訪問姿態角即為衛星本體坐標系Z軸相對于衛星軌道坐標系Z軸的轉動角度，示意圖如圖 2所示。

圖2 衛星與地面目標在衛星軌道坐標系下的示意圖

衛星相機光軸指向矢量在衛星本體坐標系中為(0,0,1)，即指向衛星本體坐標系Z軸；若要觀測到目標，衛星星體先繞X軸姿態機動角度θR，再繞Y軸姿態機動角度θP后，相機光軸(本體坐標系Z軸方向)指向目標位置。由圖 2可知，姿態角θP、姿態角θR為：

(7)

根據t時刻目標轉換到衛星軌道坐標系下的坐標(xt,yt,zt)，由式(7)就可以確定θP和θR。

對于成像衛星，當衛星飛行至目標所在橫截面時，衛星距離目標位置最近，此時最適合觀測成像，如圖 3所示，X軸(衛星飛行方向)垂直紙面向里。

此時x=0，由式(7)可知姿態角θP為0，可計算得出此時衛星訪問目標的姿態角θR。如圖 3所示，對海拔高度為h的目標T1做訪問計算時，如果不考慮高程值h，則變成對地面投影偽目標T0做訪問計算，會引入姿態角系統誤差。

圖3 衛星最佳訪問時刻姿態機動示意

2 誤差影響分析

目標高程信息引入的系統誤差分別對SAR成像衛星和可見光成像衛星任務規劃產生影響。

SAR成像衛星：由于SAR成像衛星的成像模式是根據姿態角所在的波束范圍去選擇合適的波位進行成像，如果姿態角計算有偏差，則會導致選擇波位錯誤，所以對目標訪問信息的計算精度要求非常高。如果不考慮高程信息進行訪問計算，那么對高海拔地區目標的訪問計算實際上是按照高程值為0的偽目標點(即水平面上的投影位置)進行計算，這樣得到的衛星姿態角其實是星上相機針對偽目標點的姿態角，與真實目標點的實際姿態角必然有偏差，而且該偏差會隨著高程絕對值增大而增大，姿態角偏差增大到一定程度，就會導致后續做任務規劃選擇成像波束錯誤，衛星載荷執行結果必然是無法觀測到真實目標點位置。

可見光成像衛星：可見光成像衛星的成像模式是用星上CCD相機按照任務規劃指定角度拍攝成像，光軸中心指向目標點位置。如果姿態角計算有偏差，則會導致按照該角度進行拍攝后，目標點位置與圖像中心點有偏差。如果不考慮真實目標點高程信息，即按照高程值為0的偽目標點(水平面上的投影位置)進行訪問計算，這樣計算得到的姿態角與真實目標點的實際姿態角有一定偏差，該偏差隨高程絕對值增大而增大。按此姿態角進行任務規劃觀測成像后，圖像中心點與真實目標點位置必然有一定距離偏差。如果姿態角偏差增大到一定程度，圖像中心點與真實目標點的距離偏差超過衛星相機1/2幅寬時，那么在衛星拍攝的圖像中將無法觀測到真實目標點位置。

3 實驗結果分析

根據上述算法原理及誤差影響分析，選擇某衛星做實驗，代入具體衛星參數，得到該衛星在最佳訪問時刻訪問某個目標時的姿態角。

該星訪問目標點位置時，計算得出姿態角隨目標高程值變化的情況如表1所示。觀測偏差距離為按照考慮高程值的姿態角規劃衛星觀測的成像中心點與高程值為0的姿態角規劃的成像中心點的地面距離，該星軌道高度為540 km。姿態角誤差隨高程值變化趨勢如圖4所示，觀測偏差距離隨高程值變化趨勢如圖5所示。

表1 某衛星觀測目標信息隨高程變化情況

海拔高度/km衛星(27．2183，81．3718，515362．4)目標A(85．97，27．95)衛星(39．1390，121．3048，516259．5)目標B(116．71，39．81)姿態角/(°)姿態角誤差/(°)觀測偏差距離/km姿態角/(°)姿態角誤差/(°)觀測偏差距離/km040．86690037．216900140．92450．05760．9537．27340．05650．84240．98230．11541．9137．330．11311．68341．04010．17322．8637．38670．16982．53441．09810．23123．8237．44350．22663．38541．15620．28934．7937．50040．28354．23

圖4 姿態角誤差隨高程值變化示意

圖5 觀測偏差距離隨高程值變化示意

目前可見光成像衛星幅寬一般為15～70 km，某些高分辨率的可見光衛星幅寬是8 km，某些高分辨率SAR衛星最小波束范圍是0.1°，姿態角誤差超過該值，SAR載荷就會選擇下一個波位進行成像。由實驗結果可以看出，無論是針對哪個經緯度位置的目標，當不考慮目標高程信息時，隨著目標點實際高程值增大，根據高程值0計算得到姿態角的系統誤差會逐漸增大，按此姿態角進行觀測成像的偏差距離會越來越大，一旦該偏差距離超過星上相機1/2幅寬，或者姿態角誤差超過SAR載荷波束范圍，則導致衛星按此規劃執行后無法觀測到真實目標點。由此可以得出，成像衛星任務控制系統中，在對海拔較高的目標計算衛星訪問信息時，必須考慮目標所在位置的高程值，不然做衛星任務規劃方案時，會產生不可接受的系統誤差，這種誤差增大到一定程度，將導致衛星實際上根本觀測不到目標位置。

4 結束語

針對衛星訪問計算問題，增加考慮高程值因素，提出基于高程信息的衛星訪問計算方法。該方法可以消除不加高程信息算法的系統誤差，提高了衛星訪問目標的姿態角計算精度，使得衛星能更準確地觀測目標。尤其是高分辨率成像衛星對高海拔地區目標做任務規劃時，必須得先用該方法進行訪問計算，然后按此計算結果進行規劃，才能指導衛星準確觀測到目標位置。

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SatelliteAccessCalculateMethodBasedonAltitudeInformation

ZHAO Ru-zhe1,LIN Yuan2,PENG Hui-xiang1,YUN Jian-sha1，ZHANG Wan-yu3

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.BeijingRemoteSensingInformationInstitute,Beijing100192,China; 3.MilitaryRepresentativeOfficeinShijiazhuangDistrict,MilitaryRepresentativeBureauofArmyinBeijing,ShijiazhuangHebei050081,China)

Imaging satellite mission planning is based on access analysis,whose core is to calculate the satellite access information to the target,i.e.,the observation time and observation angle of the satellite to the target.In existing satellite mission control systems,the method of calculating satellite access information usually does not take into account the target altitude information,which makes the calculation of the attitude angle of the target at high altitudes not accurate enough.An improved method of satellite access information calculation based on target altitude information is proposed in this paper.When constructing the space calculation model of satellite and target,this method considers the target altitude information,and then calculates the more accurate observation attitude angle,and makes the satellite after the planning to shoot accurately to the target position.Experimental results show that the algorithm reduces the systematic error and improves the accuracy of satellite observation.

imaging satellite;earth observation;access calculate;altitude information

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.15

趙汝哲，林元，彭會湘，等.基于高程信息的衛星訪問計算方法[J].無線電工程,2017,47(12)67-70，74.[ZHAO Ruzhe,LIN Yuan,PENG Huixiang,et al.Satellite Access Calculate Method Based on Altitude Information[J].Radio Engineering,2017,47(12):67-70，74.]

TP391

A

1003-3106(2017)12-0067-04

2016-12-08

國土資源公益性行業科研專項基金資助項目(201411119)。

趙汝哲男，(1987—)，碩士,工程師。主要研究方向:系統工程、航天地面應用。

林元男，(1979—),碩士,高級工程師。主要研究方向:衛星任務管理控制技術、衛星地面應用技術。